垂直管流实验

中国石油大学采油工程实验报告

实验日期：成绩：

班级：学号：姓名：教师：

同组者：

实验一垂直管流实验

一、实验目的

1. 观察垂直井筒中出现的各种流型，掌握流型判别方法；

2. 验证垂直井筒多相管流压力分布计算模型；

3. 了解自喷及气举采油的举升原理。

二、实验原理

当油井的井口压力高于原油饱和压力时，井筒内流动着的是单相液体。当自喷井的井底压力低于饱和压力时，则整个油管内部都是气-液两相流动。油井生产系统的总压降大部分是用来克服混合物在油管中流动时的重力和摩擦损失，只有当气液两相的流速很高时（如环雾流型），才考虑动能损失。在垂直井筒中，井底压力大部分消耗在克服液柱重力上。在水平井水平段，重力损失也可以忽略。所以，总压降的通式为：

式中：——重力压降；——摩擦压降；——加速压降。

油井中可能出现的流型为：纯液流、泡流、段塞流、环流和雾流。

在流动过程中，混合物密度和摩擦力沿程随气-液体积比、流速及混合物流型而变化。油井中可能出现的流型自下而上依次为：纯油流、泡流、段塞流、环流和雾流。除某些高产量凝析气井和含水气井外，一般油井都不会出现环流和雾流。

本实验以空气和水作为实验介质，用阀门控制井筒中的气水比例并通过仪表测取相应的流量和压力数据，同时可以从透明的有机玻璃管中观察相应的流

型。

图一：实验设备流程图

三、实验仪器

（1）仪器与设备：自喷井模拟器、空气压缩机、秒表等；

（2）实验介质：空气、水；

（3）设备的流程（如图一所示）

四、实验步骤

1．检查自喷井模拟器的阀门开关状态，保证所有阀门都关闭，检查稳压罐的液位，如不足（稳压罐高度3/4），请打开稳压罐进液阀门，加液使稳压罐的液位保持在稳压罐高度3/4；

2．打开气路阀门，保证气路畅通后打开空气压缩机，向管路供气；

3．调整稳压罐定值器，保证稳压罐压力表压力不超过0.1MPa，打开稳压罐压力阀门，等待压力稳定后打开液路阀，向系统供液；

4．此时系统已经开始同时供应气体和液体，待液面上升至井口时，可以改变气液阀门的相对大小，观察井筒中出现的各种流型，调节到所需流型，待流型稳定后开始测量；

5．按下流量积算仪清零按钮，同时启动秒表计时，观察井底流压和气体浮子流量计的示数，当计时到10秒时，记录井底流压、气体流量、液体累计流量和所用时间；

6．改变不同的气体流量，重复步骤4到5记录数据。一般取5组段塞流和5组泡流数据点；

7．试验结束，首先关闭液路，再关闭空气压缩机和总电源，等待气体放空后再关闭面板所有阀门，最后清理实验装置结束实验；

五、注意事项

（1）不要踩踏地面的各种管道；

（2）操作自喷井模拟器时要注意稳压罐中的液位，不要打空或溢出；

（3）观察的浮子流量计和压力表示数应读取测量时间内的平均值；

（4）浮子流量计的单位和流量积算仪的单位；

（5）注意流量积算仪的清零方法。

六、数据处理

（1）基本参数：

D=30mm h=6.0m ρg=1.29kg/m3ρL=1000kg/m3

σ=0.072mN/m ε=4.57×10-5m νs=0.244m/s （2）实验测得的数据：

表一：垂直管流实验原始数据

/MPa /MPa /MPa /(L/h)

以第8组数据为例：

s m Q q g /1011.13600

400.0360034-⨯===

s m Q q l

l

/1012.010

12.0343

3

1010

10

---⨯=⨯=

⨯=

∑ s m A

q q v f

l

g

l

/174.003.04

10)12.011.1(24=⨯∏

⨯+=+=

-

13.0337.003

.0174.07277.0071.17277.0071.12

2

>=⨯-=-

=D

V L

l

B

取

=0.337

337.090.010

)12.011.1(1011.144

=>=⨯+⨯=+=

--L B l

g

g t

g q

q q q q 417.503.04

10

11.11)10072.08.91000()

(34

/124

4

/1=⨯∏

⨯==--⨯⨯σρg A q v p

g

g

08.7111

.112

.0417.536503650=⨯

⨯+=+=q

q L g

l

g

s v 由此可推出：,根据流型判别方法（奥齐思泽斯基方法）计

算第八组数据属于段塞流，然而实验观察现象却为泡流，这可能是由于在实验过程中进气量还未稳定时就仓促判断流型造成误判，使的对实验现象观察不准确。如果在进气量稳定时再判断实验现象应该是段塞流，与计算结果一致，从而验证流型判别方法（奥齐思泽斯基方法）的正确性。

七、思考题

1.简述垂直井筒中各种流型的特征？

答：（1）纯液流：当井筒压力大于饱和压力时，天然气溶解在原油中产液呈单相液流。

（2）泡流：气体是分散相；液体是连续相；气体主要影响混合物的密度，对摩擦阻力的影响不大；滑脱效应比较严重。

（3）段塞流：气体呈分散相，液体呈连续相；一段气一段液交替出现；气体膨胀能得到较好的利用；滑脱损失变小，摩擦损失变大。

（4）环流：气液两相都是连续相；气体举油作用主要是靠摩擦携带；滑脱损失变小，摩擦损失变大。

（5）雾流：气体是连续相，液体是分散相；气体以很高的速度携带液滴喷出井口；气、液之间的相对运动速度很小；气相是整个流动的控制因素。 2.简述滑脱和滑脱损失的概念？

答:在气液两相或者油水两相管流中，由于气体和液体或者油水间的密度差 异而产生气体超越液体或者油超过水流动的现象称为滑脱。

出现滑脱之后将增大气液或者油水混合物的密度，从而增大混合物的重力消耗，由于滑脱而引起的能量损失叫做滑脱损失

3.简述油井垂直多相管流的压力损失主要有哪几部分组成？ 答：井筒气液两相流能量平衡方程：

]sin [,

dZ

dI g dZ d dZ dp W ++-=θρν

ρν 式中

dZ

dp

---单位管长上的总压头损失（总压力降）； dZ

d ν

ρν

---由于动能变化而损失的压力，或称加速度引起的压力损失； θρsin g ---克服流体重力所消耗的压力； dZ

dI w

,- --克服各种摩擦力而消耗的压力。 所以油井垂直多相管流的压力损失主要有三个部分组成：摩擦损失、重力损失、动能损失。

八、实验总结

通过本次实验，我们观察了垂直井筒中出现的泡流和段塞流，掌握了流型判别方法；验证了垂直井筒多相管流压力分布计算模型--奥齐思泽斯基方法的正确性；同时了解了自喷及气举采油的举升原理。！本次实验较为简单，但需要相互配合，加强了合作意思。

最后，感谢老师在实验过程中的细致讲解和耐心指导！